1、【学习目标】【学习目标】本单元主要介绍钢材热处理的定义、分类、原理及其各种工艺的应用范围，在学习过程中，第一，要了解钢材热处理的定义和分类，以便为学习后续课程奠定基础；第二，要了解钢材热处理的原理(如钢的加热与冷却过程等内容)，了解钢材热处理的本质是通过不同的加热温度、保温时间和冷却速度等方式进行组合，最终获得所需的组织与性能；第三，初步了解各种热处理工艺在零件生产中的应用，为以后零件制定热处理工艺建立感性经验，如了解弹簧零件的热处理工艺、轴与齿轮类零件的热处理工艺等，这样学习可以做到触类旁通，提高学习效率。第六单元钢材热处理第六单元钢材热处理图6-1热处理工艺曲线示意图综合知识模块一热处理概
2、念综合知识模块一热处理概念 热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理工艺方法较多，但其过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成。热处理工艺可用加热与冷却曲线来表示，如图6-1所示。第六单元钢材热处理能力知识点一相变点能力知识点一相变点金属材料在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。铁碳合金相图中的临界点是在极其缓慢的加热或冷却条件下测得的，而实际生产中的加热和冷却并不是极其缓慢的，所以，实际发生组织转变的温度与铁碳合金相图中所示的理论临界点A1、A3、Acm之间有一定的偏离，如图6-2所示。图6-2实际加热(冷却)时，Fe
3、-Fe3C相图上各相变点的位置第六单元钢材热处理能力知识点二奥氏体的形成能力知识点二奥氏体的形成 研究证明，奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体的转变可以分为四个阶段：(1)奥氏体形核(2)奥氏体长大(3)残余渗碳体溶解(4)奥氏体成分均匀化奥氏体转变结束时，其化学成分处于不均匀状态，在原来铁素体之处碳的质量分数较低，在原来渗碳体之处碳的质量分数较高。图6 3为共析钢奥氏体形核及其长大过程示意图。图6-3共析钢奥氏体形核及其长大过程示意图a)奥氏体形核b)奥氏体晶核长大c)残余渗碳体溶解d)奥氏体成分均匀化第六单元钢材热处理能力知识点三奥氏体晶粒长大及其控制措施能力知识点
4、三奥氏体晶粒长大及其控制措施 钢材中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其力学性能也较好；反之，转变产物的晶粒则粗大，其性能则较差。1.合理选择加热温度和保温时间2.选用含有合金元素的钢第六单元钢材热处理表6-1w(C)=0.45%的非合金钢加热到840，以不同方法冷却后的力学性能综合知识模块三钢材在冷却时的组织转变综合知识模块三钢材在冷却时的组织转变 实践证明，同一化学成分的钢材，加热到奥氏体状态后，若采用不同的冷却方法和冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能，见表6-1。第六单元钢材热处理图6-4等温冷却曲线和连
5、续冷却曲线钢材在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：等温转变和连续冷却转变，如图6-4所示。第六单元钢材热处理表6-2共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能 等温转变是指工件奥氏体化后，冷却到临界点以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。表6-2是共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能。第六单元钢材热处理图6-5各种退火、正火加热温度范围示意图综合知识模块四退火与正火综合知识模块四退火与正火 退火与正火是钢材常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来热处理钢制毛坯件，为以后切削加工和最终热处理做组织准备。能力知识点一能力知识点一退火退火 各种退火工艺与正火工艺的加热温度
6、范围如图6-5所示。部分退火工艺曲线与正火工艺曲线如图6-6所示。第六单元钢材热处理图6-6部分退火、正火工艺曲线示意图第六单元钢材热处理图6-7球状珠光体显微组织1.完全退火2.球化退火 球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火，所得到的室温组织为铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，即球状珠光体组织，如图6-7所示。3.去应力退火第六单元钢材热处理能力知识点二正火能力知识点二正火 正火是指工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。在生产中正火主要应用于如下场合：1)改善切削性能。2)消除网状碳化物，为球化退火作组织准备。3)用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终热处理，以代替
7、调质处理，如铁道车辆的车轴。4)用于淬火返修件，消除应力，细化组织，防止重新淬火时产生变形与开裂。第六单元钢材热处理图6-8非合金钢淬火加热的温度范围综合知识模块五淬火综合知识模块五淬火 淬火是指工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。淬火时的临界冷却速度是指钢材获得马氏体的最低冷却速度。能力知识点一能力知识点一淬淬 火火 工工 艺艺一、淬火的目的 淬火的目的主要是使钢件得到马氏体(或贝氏体)组织，提高钢件的硬度和强度，与回火工艺合理配合，获得需要的力学性能。二、淬火工艺1.淬火加热温度 不同的钢种其淬火加热温度不同。非合金钢的淬火加热温度可由Fe-Fe3C相
8、图确定，如图6-8所示。第六单元钢材热处理2.淬火介质3.淬火方法 下面据介绍常用的淬火方法。(1)单液淬火它是将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法，如图6-9中的图线所示。(2)双液淬火它是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双液淬火(图6-9中的图线)。(3)马氏体分级淬火工件加热奥氏体化后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体达到冷却介质温度后取出空冷以获得马氏体组织的淬火方法，称为马氏体分级淬火，如图6-9中的图线所示。(4)贝氏体等温淬火工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转
9、变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火，如图6-9中的图线所示。4.冷处理第六单元钢材热处理图6-9常用淬火方法示意图单液淬火双液淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火第六单元钢材热处理能力知识点二钢的淬透性与淬硬性能力知识点二钢的淬透性与淬硬性 钢的淬透性是评定钢淬火质量的一个重要参数，它对于选择钢材，编制热处理工艺具有重要意义。在规定条件下以钢试样淬硬深度和硬度分布特征来反映钢材的特性，称为淬透性。换句话说，淬透性是钢材的一种属性，是钢材淬火时获得马氏体的能力。第六单元钢材热处理能力知识点三淬能力知识点三淬 火火 缺缺 陷陷 工件在淬火加热和冷却过程中，由于加热温度高，冷却速度快，很容易
10、产生某些缺陷。一、过热与过烧 工件加热温度偏高，使晶粒过度长大，导致工件力学性能显著降低的现象称为过热。钢件过热后，形成的粗大奥氏体晶粒可以通过正火和退火来消除。二、氧化与脱碳 工件加热时，介质中的氧、二氧化碳、水蒸气等与之反应生成氧化物的过程称为氧化。三、硬度不足和软点 钢件淬火后较大区域内硬度达不到技术要求，称为硬度不足。加热温度过低或保温时间过短；淬火介质冷却能力不够；钢件表面氧化脱碳等，均容易使钢件淬火后达不到要求的硬度值。四、变形和开裂 变形是淬火时钢件产生形状或尺寸偏差的现象。开裂是淬火时钢件表层或内部产生裂纹的现象。第六单元钢材热处理综合知识模块六回火综合知识模块六回火 回火是指
11、工件淬硬后，加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然 后冷却到室温的热处理工艺。回火一般安排在淬火之后进行，通常也是零件进行热处理的最后一道工序。能力知识点一钢材在回火时组织和性能的变化能力知识点一钢材在回火时组织和性能的变化 淬火钢材中的马氏体与残余奥氏体都是不稳定组织，它们有自发向稳定组织转变的趋势，如马氏体中过饱和的碳要析出、残余奥氏体要分解等。1.回火第一阶段(200)马氏体分2.回火第二阶段(200300)残余奥氏体分解3.回火第三阶段(250400)碳化物转变4.回火第四阶段(400)碳化物的聚集长大与铁素体的再结晶第六单元钢材热处理图6-1040钢回火后其力学性能与温度关系
12、由图6-10可以看出，淬火钢材随回火温度的升高，强度、硬度降低而塑性与韧性提高。第六单元钢材热处理能力知识点二回火方法及其应用能力知识点二回火方法及其应用 回火是最终热处理，根据钢材在回火过程中的温度范围，可将回火分为三种：低温回火、中温回火和高温回火。1.低温回火2.中温回火3.高温回火第六单元钢材热处理综合知识模块七表面热处理与化学热处理综合知识模块七表面热处理与化学热处理 在生产中有些零件如齿轮、花键轴、活塞销等，要求表面具有高硬度和耐磨性，心部具备一定的强度和足够的韧性。能力知识点一能力知识点一表面热处理表面热处理 表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。其
13、中表面淬火是最常用的表面热处理。一、感应加热表面淬火 利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。1.感应加热基本原理 依靠感应电流产生的热效应，可以使钢件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，然后迅速喷水冷却，就可以淬硬钢件表层，这就是感应加热表面淬火的基本原理，如图6-11所示。第六单元钢材热处理图6-11感应加热表面淬火示意图1工件2加热感应器(接高频电源)3淬火喷水套4电流集中层5加热淬火层第六单元钢材热处理表6-3感应加热表面淬火的应用2.感应加热表面淬火的特点 根据电流频率不同，感应加热表面淬火分为三类：高频感应加热表面淬火、
14、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火。表6-3为感应加热表面淬火的应用。第六单元钢材热处理图6-12火焰加热表面淬火示意图1烧嘴2喷水管3加热层4淬硬层5工件二、火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是利用乙炔-氧或其他可燃气燃烧的火焰对工件表层进行加热，随之快速冷却的淬火工艺，如图6-12所示。第六单元钢材热处理图6-13气体渗碳示意图1渗碳剂2风扇电动机3废气火焰4炉盖5砂封6电阻丝7耐热罐8工件9炉体能力知识点二化学热处理能力知识点二化学热处理 化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。一、渗碳 根据渗碳
15、时介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，其中气体渗碳应用最广泛。它是将工件放入密封的加热炉中(如井式气体渗碳炉)，通入气体渗碳剂进行渗碳的，如图6-13所示。第六单元钢材热处理二、渗氮 在一定温度下于一定介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮。渗氮的目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐蚀性和疲劳强度。三、碳氮共渗 在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。根据共渗温度不同，碳氮共渗可分为低温(520580)碳氮共渗、中温(760880)碳氮共渗和高温(900950)碳氮共渗。碳氮共渗的目的主要是提高工件
16、表层的硬度和耐磨性。第六单元钢材热处理综合知识模块八热处理新技术简介综合知识模块八热处理新技术简介能力知识点一能力知识点一形变热处理形变热处理 形变热处理是将塑性变形和热处理结合，以提高工件力学性能的复合工艺。工件经形变热处理后，可以获得形变强化和相变强化综合效果。这种工艺既可提高钢的强度，改善其塑性和韧性，又可节能，因此，在生产中得到了广泛的应用。能力知识点二能力知识点二真空热处理真空热处理 在低于一个大气压(10-110-3Pa)的环境中加热的热处理工艺，称为真空热处理。真空热处理的特点为：1)真空加热缓慢而且均匀，故热处理变形小。2)提高工件表面力学性能，延长工件使用寿命。3)节省能源，
17、减少污染，劳动条件好。4)真空热处理设备造价较高，目前它多用于工具、模具及精密零件的热处理。第六单元钢材热处理能力知识点三能力知识点三可控气氛热处理可控气氛热处理 为了使钢件表面达到无氧化、无脱碳或按要求增碳，钢件在炉气化学成分可控的加热炉中进行的热处理称为可控气氛热处理。能力知识点四能力知识点四激光热处理激光热处理 激光是一种具有极高能量密度、高亮度和方向性稳定的强光源。激光热处理就是以激光作为能源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。能力知识点五能力知识点五电子束淬火电子束淬火 电子束淬火是以电子束作为热源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。电子束的能量远高于激光，而且其能量利用率也高于激光热处理，能量利用率可达80%。电子束淬火是很有前途的热处理新技术。第六单元钢材热处理
